Распад протона

Распад протона — гипотетическая форма радиоактивного распада, в результате которой протон распадается на более лёгкие субатомные частицы, например (нейтральный) пион и позитрон. Это явление до сих пор не наблюдалось, но возможность доказать его реальность вызывает нарастающий интерес в связи с перспективами «теории великого объединения» (GUT: Grand Unified Theory)^[1].

Протон долгое время считался абсолютно стабильной частицей, хотя для такой уверенности никогда не было серьёзных оснований, так как, по-видимому, не существует фундаментального закона физики, запрещающего его распад^[2]. Запрет распада протона (легчайшего из барионов) связан с эмпирическим законом сохранения барионного числа, однако сам этот закон не имеет глубокого теоретического обоснования — сохраняющаяся величина не связана с какой-либо пространственно-временной симметрией (в отличие, например, от закона сохранения энергии) и не имеет характера калибровочного заряда (в отличие, например, от закона сохранения электрического заряда).

Следует отметить, что в случае нестабильности протонов все атомные ядра являются радиоактивными (хотя и с очень большими периодами полураспада).

История

Возможность распада протона вызывает интерес физиков ещё с 30-х годов XX века, но в последние десятилетия эта проблема приобрела особенно большое значение. Несмотря на то, что мнение об абсолютной стабильности протона всегда покоилось на шатких теоретических предпосылках, этот вопрос мало привлекал внимание до 1974 года, пока не был разработан ряд теоретических моделей великого объединения (GUT), в которых распад протона не только разрешён, но и вполне определённо предсказывается.^[2]

Первыми такую попытку осуществили в 1973 году Абдус Салам и Джогеш Пати (Imperial College, Лондон). Несколько месяцев спустя гарвардские физики-теоретики Шелдон Глэшоу и Говард Джорджи изложили собственную версию GUT, предложив первые модели расчёта времени жизни протона.

Получающиеся в самых простых вариантах этих моделей значения времени жизни (более $10^{30}$ лет) на много порядков превосходят возраст Вселенной (примерно $10^{10}$ лет)^[1]. Минимальная SU(5)-модель предсказывала время жизни протона при распаде на пион и позитрон порядка 10³¹ лет. Эксперименты, выполненные к 1990 г. (Kamiokande и ряд других), показали, что время жизни протона при распаде по этому каналу превосходит эту величину. В результате минимальная SU(5)-модель великого объединения была «закрыта». На сегодня лучшее ограничение на время жизни протона при распаде по этому каналу составляет 8,2·10³³ лет (эксперимент Super-Kamiokande)^[3].

Кроме того, несохранение барионного числа предсказывается в теориях суперсимметрии, и обнаружение распада протона подтвердило бы её правильность, а также объяснило бы нарушение суперсимметрии в настоящую эпоху. При этом следует отметить, что хотя спонтанный распад протона и не запрещён законом сохранения энергии, вероятность этого процесса очень мала из-за огромной массы промежуточной виртуальной частицы, которая должна при этом рождаться. Например, минимальная SU(5)-модель предсказывает появление в этом случае промежуточной виртуальной частицы с массой 10¹⁵ ГэВ^[1].

Экспериментальный поиск

Поскольку распад протона — случайный процесс, было предложено в качестве объекта наблюдения выбрать большой объём воды, в одном кубометре которой содержится около 6·10²⁹ нуклонов (из них около половины протонов). Если теория Глэшоу и Джорджи верна, и каждый протон имеет один шанс из ~10³¹ распасться в одном конкретно выбранном году, то теоретически наблюдение распада хотя бы нескольких протонов в многотонной водной мишени в течение года должно быть реальным.

Физики организовали несколько крупномасштабных экспериментов, в ходе которого предполагалось наблюдать распад хотя бы единичных протонов. Поскольку вспышки так называемого черенковского излучения, которые и сигнализируют об образовании новых частиц (в том числе, в результате распада протона), могут быть вызваны космическими лучами, было решено проводить эксперимент глубоко под землёй. Детектор IMB (Irvin-Michigan-Brookhaven) разместился в выработках бывших соляных копей на берегу озера Эри в штате Огайо. Здесь 7000 тонн воды были окружены 2048 фотоумножителями. Параллельно в Японии группа учёных Токийского университета и ряда других научных организаций^[4] в подземной лаборатории Камиока создала детектор Камиоканде (Кamiokande — Кamioka Nucleon Decay Experiment), где 3000 тонн воды просматривались 1000 фотоумножителями. Однако к концу 80-х годов ни одного случая распада протона зафиксировано не было. В 1995 году коллаборация Камиоканде построила новый детектор, увеличив массу воды до 50 000 тонн (SuperKamiokande). Наблюдения на этом детекторе продолжаются по сей день, но результат поисков распада протона на достигнутом уровне чувствительности по-прежнему отрицателен^[1][3].

Кроме распада на пион и позитрон (текущее ограничение на время жизни по этому каналу, как отмечено выше, составляет 8,2·10³³ лет), выполнялись экспериментальные поиски свыше 60 других вариантов каналов распада, как для протона, так и для нейтрона (в последнем случае имеется в виду не стандартный бета-распад нейтрона, а распад с несохранением барионного числа, например n→μ⁺π^-). Поскольку предпочтительный канал распада, вообще говоря, неизвестен, устанавливаются также экспериментальные нижние ограничения на время жизни протона независимо от канала распада. Лучшее из них на текущий момент равно 1,1·10²⁶ лет^[3]. Нижнее ограничение на время жизни протона при распаде с образованием только «невидимых» частиц (то есть не участвующих в сильном или электромагнитном взаимодействиях, например нейтрино) составляет 2,1·10²⁹ лет^[3]. Следует отметить, что распад протона по «невидимым» каналам нарушает законы сохранения не только барионного числа, но и электрического заряда; это не относится к распаду нейтрона.

Хотя ожидается, что времена жизни протона и антипротона одинаковы, были получены экспериментальные нижние ограничения на время жизни антипротона. Они значительно уступают ограничениям на время жизни протона: лучшее ограничение — лишь порядка 10⁷ лет^[3].

Некоторые теории предсказывают также распад пар или троек нуклонов (с изменением барионного числа на 2 или 3 единицы) при стабильности одиночных нуклонов. Для различных каналов распада «динуклонов» (пар pp, nn, pn) в ядрах железа установлены нижние ограничения на время жизни ядра на уровне единиц ·10³⁰ лет^[3].

Таким образом, установлено, что протон как минимум в 1000 раз стабильнее, чем это предсказано в минимальной SU(5)-теории Глэшоу и Джорджи. В различных вариантах теории суперсимметрии время жизни протона предсказывается на уровне установленных в настоящее время ограничений и выше. Для проверки этой теории организован проект LAGUNA^[5] с чувствительностью на уровне 10³⁵ лет. Предполагается также, что важную роль в решении этой проблемы сыграет Большой адронный коллайдер (БАК, LHC, Large Hadron Collider), расположенный неподалёку от Женевы, с помощью которого теория суперсимметрии могла бы быть подтверждена экспериментально^[1].

См. также

• Барионный заряд
• Нейтрон-антинейтронные осцилляции — ещё один гипотетический процесс, не сохраняющий барионное число
• Распад нейтрона
• Нерешённые проблемы современной физики

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4 5} BBC Focus, February 2008. The World’s Greatest Mysteries. Proton’s Decay. Robert Mathews. pp. 68-73.
2. ↑ ^{1 2} Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles. B. V. Sreekantan.
3. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} K. Nakamura et al. (Particle Data Group), JP G 37, 075021 (2010) and 2011 partial update for the 2012 edition. Particle Listings: Proton.
4. ↑ Такая форма совместного проведения крупномасштабных экспериментов в физике называется коллаборацией.
5. ↑ The Laguna Project

Ссылки

• Компиляция экспериментальных данных по времени жизни нуклона на сайте Particle Data Group [1]
• The Laguna Project
• Распад протона и «тепловая смерть» Вселенной. John A Gowan, Cornell University
• УФН, 1982. С. Вайнберг. Распад протона
• И. В. Савельев. Единая теория взаимодействий
• Cosmicum. Элементарные частицы и силы в природе